【正文】 是生產(chǎn)過程、生產(chǎn)工藝監(jiān)測 :監(jiān)測主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)的各種生產(chǎn)參數(shù)和重要設(shè)備的運行狀態(tài)，如煤倉料位、水倉水位、水泵、提升機、扇風機、壓風機、膠帶輸送機、采煤機等運行狀態(tài)和參數(shù)等運行狀態(tài)和參數(shù)。特別是在搜尋井下遇險人員的過程中，救護隊員只能依靠反映礦井現(xiàn)實情況的有關(guān)圖紙以及事故現(xiàn)場偵察得來的各種信息展開搶救工作。 選題的意義 煤礦的現(xiàn)代化管理和煤礦的安全生產(chǎn)是煤炭行業(yè)舉足輕重的大事。 隨著無線通信、自動識別和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測應(yīng)用領(lǐng)域中的不斷發(fā)展，如何確定災(zāi)害事故中遇險人員的具體情況和分布位置得到進一步地解決。 本文設(shè)計的定位系統(tǒng)是需要深入到環(huán)境 十分復雜的煤礦井下工作，在設(shè)計方案時，除了考慮其功能外，在穩(wěn)定性、可靠性、抗干擾能力、容錯能力及異常保護等方面也進行了充分考慮。平時用來指揮生產(chǎn)做出優(yōu)化決策，使生產(chǎn)指揮高效。 此外，以美 國、日本和歐洲等發(fā)達國家對 RFID 技術(shù)的研究和應(yīng)用已達到相當高的水平，并且產(chǎn)生了相當?shù)慕?jīng)濟效益，而我國起步較晚，大多采用引進的技術(shù)成果，需要對 RFID 技術(shù)的研究和應(yīng)用增加投入。隨著射頻識別技術(shù)的興起，國外也加快了這一領(lǐng)域的發(fā)展，并成功地將其應(yīng)用到了井下人員定位監(jiān)控系統(tǒng)中。在南非的德里方月 (Driefontayne)礦，安裝了 一種人員跟蹤系統(tǒng)，它使用由澳大利亞 ISD 公司制造的一種射頻識別系統(tǒng)源信標 。該系統(tǒng)能夠提供一些預先編制好的緊急信息，這些信息在緊急情況出現(xiàn) 時自動生成。為了加快實現(xiàn)煤炭工業(yè)現(xiàn)代化管理的步伐，我國先后從波、法、德、英、美等國批量引進了安全監(jiān)控系統(tǒng)并裝備了部分煤礦，如美國的 SCADA 系統(tǒng)、英國的 MINOS 系 統(tǒng)、德國的 TF2OO 系統(tǒng)、法國的 CTT63/40/u 系統(tǒng)、加拿大森透里昂系統(tǒng)，這些系統(tǒng)在我國煤炭行業(yè)中發(fā)揮了作用，也為我國研制礦用監(jiān)控系統(tǒng)提供了很好的借鑒。 80 年代后期，在引進外國設(shè)備的同時，消化、吸收了制造 技術(shù)，并結(jié)合我國煤礦的實際情況，先后研制出自己的監(jiān)控系統(tǒng)，如 KJ1， KJ2， KJ4， A1， KJ10， KJll， KJ22， KT， KJ95 及焦作工學院研制的 KJ93 礦井安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)等，并在我國煤礦大批使用，有的系統(tǒng)已達到國際先進水平。人員識別系統(tǒng)從最初的條形碼、光電孔卡式到現(xiàn)在的指紋、紅外線式考勤形式各不相同，這些技術(shù)裝備利用不同的識別原理對下井人員進行監(jiān)控、記錄。Tec )為專業(yè)致力于 RFID 產(chǎn)品戰(zhàn)略研究的高科技公司。過去的十多年， RFID射頻識別技術(shù)得到了快速發(fā)展，逐步被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、商業(yè)自動化、交通運輸控制管理等眾多的溯源和防偽應(yīng)用領(lǐng)域。讀寫器性能將達到：多功能（與條碼識讀集成、無線數(shù)據(jù)傳輸、脫機工作等）；智能多天線端口；多種數(shù)據(jù)接口（ RS232， RS422／ 485， USB，紅外，以太網(wǎng)口）；多制式兼容（兼容讀寫多種標簽類型）；小型化、便攜式和嵌入式，以及模塊化；多頻段兼容；成本更低。自 2020年起， RFID射頻識別技術(shù)單品級應(yīng)用是全球最大的 RFID射頻識別技術(shù)應(yīng)用市場。國際郵聯(lián)目前已經(jīng)做出決議，并且正在積極推進高效、低成本的 RFID射頻識別技術(shù)解決方案在世界各國郵政監(jiān)管中的應(yīng)用。在引進吸收國外先進技術(shù)的基礎(chǔ)上，國產(chǎn)的 KT6 等多種泄漏通信設(shè)備也相繼問世，但是它們大都存在不足 : （ 1）成本高、推廣程度低 國內(nèi)曾先后引進國外先進的人員監(jiān)測設(shè)備，收效 尚好。國內(nèi)自行研制的通訊設(shè)備針對各個煤礦的具體情況，通用性不夠。通過查閱資料和現(xiàn)場調(diào)研，我發(fā)現(xiàn)存在以下主要問題 : （ 1）無法實現(xiàn)對作業(yè)人員的情況進行實時監(jiān)測井下人員跟蹤定位系統(tǒng)要求地面監(jiān)測人員能夠了解井下任一區(qū)域、任一時刻人員分布的具體情況。 （ 3）維護量大，成本高 像紅外線編碼識別技術(shù)需要系統(tǒng)對礦燈進行改造和維護，工作量均比較大。 11 論文的研究任務(wù)和工作 本研究的目的是利用射頻識別技術(shù)來設(shè)計一個井下人員定位系統(tǒng)，實現(xiàn)人員自動化管理，并為災(zāi)難發(fā)生時提供可靠的人員位置信息。 閱讀器研究 閱讀器是整個應(yīng)用系統(tǒng)的核心，沒有它，根本不能談應(yīng)用。控制單元設(shè)計主要完成單片機與外圍通信接口的研究 。首先，制定了應(yīng)用程序的整體框架并使用 MFC 中的MSC0MM 控件完成 PC 機與閱讀器的通信 。將 RFID射頻識別技術(shù)應(yīng)用于礦井人員定位，對提高煤礦的信息化管理水平，和災(zāi)害發(fā)生時對井下人員的準確定位以便實施有效的救援具有理論和實際意義。 第 4 章 是對井下系統(tǒng)的設(shè)計，主要是電子標簽和閱讀器的軟硬件設(shè) 計。在數(shù)據(jù)庫部分介紹了數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)，針對井下人員定位的需要進行了數(shù)據(jù)庫需求分析和邏輯設(shè)計。 13 第二章 總體方案設(shè)計 確定總體結(jié)構(gòu)方案 整個礦井目標監(jiān)控與定位系統(tǒng)由兩大部分組成，分為井上控制系統(tǒng)和井下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)組成框圖見圖 21 圖 21礦井監(jiān)控與定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 工作流程 大體工作過程為：在井下入口、巷道、作業(yè)面的交叉 道口等需要監(jiān)控的主要位置安裝一定數(shù)量的檢測站點 ,安裝在礦燈上的員工 標簽 （即電子標簽），定時向采集站發(fā)出具有代表身份特征的射頻信號，同時在程序的控制下，閱讀器也不斷的將采集的瓦斯?jié)舛燃爱斍暗臏囟鹊拳h(huán)境數(shù)據(jù)，通過 CAN 總線將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到地面中心站，中心站接井上部分 井下采集站 1 ……… 井下部分 井下采集站 n ……… 閱讀器 1 閱讀器 n 標簽 n 標簽 1 ……… WidowsXP+VC++ SQL server 數(shù)據(jù)庫 信息傳輸接口 收到來自采集分站上的時間、位置和動目標特征的數(shù)據(jù)編碼信號后，作進一步地分析處理，形成各種文件和圖表，并發(fā)布到網(wǎng)上，使管理人員能及時準確地查詢各種信息。 井上部分 由中心站主機與傳輸接口組成的井上部分，主要是軟件操作平臺，按照功能劃分為實時監(jiān)控子系統(tǒng)與信息管理子系統(tǒng)，具體將在下面的軟件設(shè)計中介紹。 (2)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器 后臺數(shù)據(jù)庫使 SQL Server2020 ，這是一種關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中存儲著系統(tǒng)所需要的各種有效信息，包括人員及 閱讀器 基本信息 、人員井下實時定位信息、井下標簽的信息等。 井下部分 井下部分是整個系統(tǒng)的核心，主要由閱讀器和電子 標簽 組成，閱讀器固定安裝在巷道的進出口、交叉道口、工作面、重要酮室、危險場合 (如盲巷 )、地面主要出入口等位置，不斷地進行數(shù)據(jù)巡檢和信號采集 。閱讀器 由無線射頻接收模塊， CPU 處理模塊，外擴 SRAM 模塊，顯示模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊組成，負責實時監(jiān)測電子標簽的存在，并將檢測到的電子標簽的編號和時間數(shù)據(jù)存儲到外擴 SRAM 中，然后將數(shù)據(jù)通過 RS232 總線上傳給數(shù)據(jù)采集分站，同時顯示電子標簽編號 :在閱讀器器的設(shè)計過程中，考慮了如何判別電子標簽的移動方向問題 。 主要研究任務(wù) 這篇論文的目的就是利 用射頻識別技術(shù)來設(shè)計一個礦井信息采集與定位系統(tǒng)。 （ 2） RFID 技術(shù)的研究 這個部分集中研究了 RFID 技術(shù)的技術(shù)標準 、標簽成本、 標簽選取、工作頻率的 技術(shù)研究和應(yīng)用等幾方面 。 因本項目規(guī)模較大，在該項目的進行中，便攜式電子標簽卡的相關(guān)設(shè)計將是本人研究的重點。 第三章 RFID技術(shù)研究 3． 1 概述 射頻識別技術(shù) (RFID 即 RadiorrequeneyIdentification 的縮寫 )，是自動識別技術(shù)的一種，通過無線射頻方式進行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，對目標加以識別并獲 取相關(guān)數(shù)據(jù)。當某個商品貼上一個電子識別標簽后，從它在工廠的流水線上開始，到被擺上商場的貨架，再到消費者購買后結(jié)賬，甚至到標簽最后被回收的整個生產(chǎn)、運輸和銷售過程都能夠被追蹤管理。另外，射頻識別技術(shù)總體成本一直處于下降之中，可以預計在未來的幾年之內(nèi)射頻識別技術(shù)將取代條形碼掃描技術(shù)以及 IC 卡識別技術(shù)。在歐洲、北美、大洋洲、非洲南部及亞太地區(qū)，射頻識別技術(shù)被廣泛應(yīng)用于很多行業(yè)，如汽車、火車等交通監(jiān)控系統(tǒng)，高速公路自動收費系統(tǒng)，停車場管理系統(tǒng)，流水線生產(chǎn)自動化系統(tǒng)，物品追蹤識別管理，人員及行李安全出入境檢查，倉儲管理，車輛防盜，動物 管理等。同時，與現(xiàn)代通信及計算機技術(shù)相結(jié)合，可以實現(xiàn)跨行業(yè)、跨地區(qū)的應(yīng)用。 電子標簽和閱讀器通過各自的天線構(gòu)建起二者之間非接觸的信息傳輸通道，這種空 17 間傳輸通道的性能完全由天線的周圍場區(qū)特性所決定。在該區(qū)域中電抗性儲能場占支配地位，通常，該區(qū)域的界限取為距天線口徑表面兄 /2處。 二 .輻射近場區(qū) 輻射場區(qū)的電磁場已經(jīng)脫離了天線的束縛，并作為電磁場進入空間。在該區(qū)域中，輻射場的角度分布與距離無關(guān)。根據(jù)射頻識別系統(tǒng)作用距離，標簽天線與閱讀器天線之間的藕合可以分為三類 :密藕合系統(tǒng)、遙禍合系統(tǒng)和遠距離系統(tǒng)。密藕合系統(tǒng)的工作頻率一般局限在 30MHz 以下。和密藕合系統(tǒng)一樣，遙禍合系統(tǒng)利用的也是射頻標簽與閱讀器天線的無功近場區(qū)之間的電感禍合(閉合磁路 )構(gòu)成的無接觸的空間信息傳輸射頻通道，但相對于密藕合系統(tǒng)來說，遙藕合系統(tǒng)由于識別距離的增 大，導致電磁泄漏量增大，禍合獲得的能量就比較小。 RFID 系統(tǒng)的組成 一般的 RFID 系統(tǒng)由以下幾個主要部分組成 。不同的射頻卡能量來源不同，有源標簽自帶有電源模塊，而無源標簽則靠閱讀器天線發(fā)射的能量信號獲得能量驅(qū)動后端電路工作。我們通過計算機應(yīng)用軟件來對射頻標簽寫入或讀取其所攜帶的數(shù)據(jù)信息 。 ，具有防沖突能力 。 閱讀器的基本構(gòu)成分為兩個部分硬件部分和軟件部分。 以識別的命令，進而控制發(fā)送的信息，或者將接收到的模擬信號解碼成數(shù)字信號，進行數(shù)據(jù)解碼、防碰撞等。接收并調(diào)制來自標簽的高頻信號。對于復雜系統(tǒng)，控制單元還可能具有以下功 能執(zhí)行防沖突算法 。電子標簽是由IC 芯片和無線通信天線組成的小標簽。例如，標簽?zāi)軌蛱?供產(chǎn)品生產(chǎn)，運輸，存儲情況，也可以辨別機器，動物和個體身份。也有人說是 EPC 和 UID 兩大系列。目前常用的 RFID 國際標準主要有 ISO/IEC18000 標準， ISO18000只規(guī)定了空氣接口協(xié)議，對數(shù)據(jù)內(nèi)容和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)無限制，因此可用于 EPC。由于集成電路的飛速發(fā)展，工藝水平地不斷提高，制造低成本標簽己經(jīng)指日可待。這一標簽會支持電子產(chǎn)品碼標準。 圖 33 Smartcode 公司推出的世界最小的標簽芯片 有源與無源標簽的選取 電子標簽內(nèi)加裝電池稱為有源卡，不加裝電池稱為無源卡。 基于 433MISM 波段的無線通訊有源卡 的主要缺點有：無線通訊數(shù)據(jù)率很低（ ） ,從而引起讀卡速度慢，實際同時讀卡數(shù)量少（ 4 卡），讀卡模塊和卡的功耗很高。 2）防沖突：先進的防碰撞算法技術(shù)，在 秒的讀卡周期內(nèi)可同時識別多達 5800 個標識。 6）高抗干擾性 : 采用擴頻技術(shù)，對現(xiàn)場各種干擾源無特殊要求。 RFID 系統(tǒng)工作頻率可分為低頻 (125KHZ)、高頻 ()、超高頻 (868 一 954MHz)以及微波 ()4 種頻率。中頻電子標簽主要為 ，用于門禁控制以及需要傳輸大量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)中。因此，我們應(yīng)該根據(jù)實際應(yīng)用的場合，合理地選擇標簽工作頻率，以達到最佳工作效率。()帶電池的有源收發(fā)器 井下無線頻帶資源豐富，沒有頻帶利用的限制， Tag 和 Reader 的可供選擇的資源豐富。高頻標簽屬于中短距識別，識別距離通常也小于lm。如圖 34所示 圖 34 DC8320B有 源電子標簽 產(chǎn)品描述： 1. DC8320B 有源電子標簽是 DC8310B 的升級版，在此基礎(chǔ)之上增加了定位、防水等功能； 2. 適合采用跳頻工作模式，具有超強抗干擾能力； 3. 用戶可自定義讀寫標準數(shù)據(jù)，使專門的應(yīng)用系統(tǒng)效率更加快捷； 80米以上 (與讀寫器和天線有關(guān) ).超寬工作頻段設(shè)計，既符合相關(guān)行業(yè)規(guī)定，又能進行靈活的開發(fā)應(yīng)用； 5. 可同時讀寫多個標簽（多達 50 個 /秒以上），而不受工作區(qū)內(nèi)標簽數(shù)量的限制和影響； 6. 存儲區(qū)供用戶進行加密讀、寫、擦除再寫操作，還開辟指定用戶專用的永 久專用字區(qū)。目前，有關(guān) RFID 天線的研究主要集中在研究天線結(jié)構(gòu)和環(huán)境因素對天線性能的影響上。 對于本課題涉及到天線設(shè)計包括兩方面：一是電子標簽天線的設(shè)計問題，一是閱讀器天線的設(shè)計問題。 根據(jù)前面分析，在考慮天線極化匹配的理想情況下，閱讀器接收天線的增益不低于 0dB，但是在煤礦井下，由于巷道狹長窄小、還布滿各種線纜的傳輸媒介，電子標簽的狀態(tài)隨機變化，電 磁波在這樣的環(huán)境空間傳播時，極化方向勢必發(fā)生變化，致使接收信號質(zhì)量變差，系統(tǒng)不可靠。所以閱讀器天線在按圓極化形式設(shè)計時，其圓極化增益應(yīng)大于 3dB，考慮余量，應(yīng)大于 5dB 設(shè)計。在井下人員區(qū)域定位中存在著射頻 閱讀器碰撞和射頻識別標簽碰撞。圖 35 中，標簽 Tl向 閱讀器 Rl 傳送標簽信息時，受到 閱讀器 R2 的干擾，以至 Rl讀卡失敗。 圖 36 多個 閱讀器 對標簽的干擾